국내 연구진이 태양광을 흡수해 물에서 수소를 생산하는 광전극 성능 향상을 이끌 기술을 개발했다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 문주호 연세대 교수 연구팀이 카이랄 산화물 증착 메커니즘을 규명하고 이를 통해 성능이 향상된 금속산화물 기반 카이랄 광전극을 개발했다고 14일 밝혔다.
광전극을 이용한 태양광 물 분해 시스템은 재료가 저렴하고 시스템이 단순해 이론상으로는 기존 태양전지-전기분해 시스템보다 경제성과 효율성이 높지만, 전극 내 전자를 단순한 전하 운반체로만 인식하기 때문에 실제 성능 향상에는 한계가 있다.
반면 금속산화물 기반 카이랄 재료는 유기물에 비해 높은 내화학성과 우수한 전기화학적 특성을 보이며 광전극과 이종접합을 형성해 전하 분리효율을 증진할 수 있다.
연구팀은 이 같은 원리를 기반으로 장기 구동 안정성과 높은 촉매반응 활성을 가진 금속산화물 기반의 카이랄 재료를 합성하고 카이랄 금속 광전극을 개발했다. 금속산화물에 카이랄성을 부여하고 전자스핀을 제어해 전해질-촉매 계면에서 재결합을 억제하고 광전류 밀도를 높이자 성능을 저해하던 부산물이 억제되고 산소 발생 효율이 증진됐다.
실험 결과 새로운 카이랄 금속 광전극은 광전류 밀도와 산소 생성 효율이 각각 약 23%, 20% 향상됐다. 또 80시간 연속 구동 시 카이랄 전극효율은 85.1%로 비카이랄 전극 73.2%보다 높았다.
문주호 교수는 “증착용액 내 카이랄성 전이에 대한 이해는 광전극 뿐만 아니라 촉매, 이차전지, 디스플레이 등 넓은 범위의 애플리케이션에 적용이 기대된다”며 “이번 성과가 산업화 규모에서 구현 가능하도록 더 높은 카이랄성 효과와 촉매 활성을 가진 물질 개발에 매진할 계획”이라고 말했다.
한편 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 환경 분야 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)'에 지난 1월 25일 게재됐다.
이인희기자 leeih@etnews.com
